基于提高解決復雜工程問題能力的近代測試與表征技術教學改革與實踐

林浩偉，李金玲，程巧換，苗蔚，程文喜，彭 進，徐三魁

(河南工業大學 材料科學與工程學院，河南 鄭州 450001)

2016年6月，我國正式加入《華盛頓協議》，這是我國高等教育發展歷程中具有里程碑意義的歷史性突破。以此為突破口，國家對本科專業全面開展工程教育認證，旨在強化內涵發展提高高等教育質量，核心在于培養學生解決復雜工程問題的能力[1]。河南工業大學高分子材料與工程專業于2018年6月通過工程教育專業認證，在此基礎上，為深入貫徹教育部2019年發布的《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》精神，本專業以提高學生解決復雜工程問題能力為著眼點，進行“以學為中心”的本科教學改革，探索務實、高效的教學方法變革，以期達到學生“愿意學、導向學、靈活用”的效果，從而切實提高本科教育效果和人才培養質量。

《近代測試與表征技術》作為我校高分子材料與工程專業的一門重要的專業必修課程，在教學大綱中的預期學習成果方面明確提出：根據測試方法的功能和局限性，能夠選擇合適的近代測試與表征技術，具備實際解譜能力，來分析高分子材料領域的工程案例問題；綜合材料結構、測試原理及技術、譜圖分析、結構與性能之間的關系，為日后畢業設計課題和工作中的材料結構表征、成分和表面分析打下良好的理論基礎[2]。因此，在教學工作中不僅要讓學生理解多種測試方法的基本原理，掌握重要的測試技術和數據分析方法，還要在此基礎上，讓學生通過對比分析準確認識不同測試方法的功能和局限性，從而使學生在面對科研和生產中的復雜工程問題時，能夠準確找到合適的測試表征手段而順利開展工作。而該課程培養的解決復雜工程問題能力將在后續的畢業設計(論文)以及畢業后的研究生課題工作、生產實踐等環節中有直接的體現，所以學生對該課程的掌握程度對其進一步的學習深造和實踐工作有重要的影響。

近代測試與表征技術是一門綜合了高分子物理 、高分子化學 、高分子成型加工等基礎知識的實踐運用課程。它不僅講述了多種近代測試技術的基本原理, 更重要的是傳授如何運用這些技術手段對高分子材料進行結構與性能的分析研究。因此，它是一門要求綜合運用高分子材料學科的各種知識、并要求進行實際操作的、具有較強的理論聯系實踐特征的課程。在多年的近代測試與表征技術課堂教學過程中，我們發現大多數學生能夠掌握測試表征方法的基本原理、實驗技術，也能夠論述出其主要的應用，但在面對測試表征案例時，仍有不少學生難以準確、全面地找到合適的測試表征方法進行系統有效地分析，即“學以致用”的效果仍有待進一步提高，而這恰恰反映出了提高解決復發工程問題的能力是我們教學設計及實踐的一個重要出發點。

著眼于提高解決復發工程問題的能力，提高教學效果，進一步提升人才培養質量，我們在教學實踐中不斷思考總結，多方面探索如何提高學生學習的興趣度、參與度及應用靈活度。我們從以下幾個方面進行了教學設計與實踐。

1 及時更新教學內容，緊密聯系科研熱點

近代測試與表征技術是一門應用性較強的學科，是我國高等院校為高分子材料與工程專業的本科生普遍開設的一門專業必修課。近代測試是一門綜合性技術, 目前國內教材主要介紹儀器原理及應用，包括高分子材料分析中常用的波譜分析(包括紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜、質譜)、熱分析(包括差熱分析法、差示掃描量熱法和熱重分析法)、凝膠滲透色譜法、電子顯微鏡(包括掃描電鏡、透射電鏡)等測試表征手段，在教學中選用的規劃教材的出版時間一般在幾年前甚至在十幾年前，內容基本圍繞傳統材料的測試表征展開闡述。然而隨著科技的快速發展和進步,測試表征技術的新應用、新材料的測試表征技術等成為材料領域發展的重要支撐點和關注點，其更多地體現在一些科研熱點領域，而這些內容更容易提高學生的學習興趣[3]。所以我們緊密聯系科研熱點，根據本學科的前沿發展動態適時更新教學內容。例如，在第一章緒論部分，在介紹高分子材料的結構特征及測試表征技術發展時，引入一些高分子材料的重要研究進展及其對人們生產生活帶來的顯著改善(如導電聚合物的發現、發展及其在顯示系統、太陽能電池、光電探測器、光電催化、傳感器等領域的應用)，從而在課程講授伊始，一方面提高學生的學習興趣，同時結合具體案例讓學生更容易理解掌握課程的學習目的和人才培養目標；在每個章節介紹具體的測試表征方法時，該方法的應用是難點，針對這個問題我們結合科研領域熱點材料的測試表征案例進行講授(如在講授電子顯微鏡內容時，結合石墨烯的結構特征及如何進行微觀結構表征展開，更容易使學生明白電子顯微鏡與傳統光學顯微鏡在儀器結構、工作原理及應用等方面的區別及局限性)；在課程講授最后的歸納總結階段，如何提高學生對多種測試表征方法的綜合應用能力是課程能力培養目標的重點和難點，在多數教材中沒有針對性的教學內容，我們選取一些高質量學術期刊中的熱點材料表征案例進行介紹，使學生更形象地體會面對測試表征案例時如何準確地選擇合適的測試表征手段多角度地、相輔相成地開展測試表征[4]。通過這些教學內容優化舉措的實施，不僅提高了學生的學習興趣，加深了對課程學習目標的理解，更重要的是有助于幫助學生構建解決復雜工程問題的思維方式和有效途徑。

2 以“學”為中心，探索課堂教學新模式

在以教師為中心的傳統教學模式下，灌輸式的課堂教學往往使學生感到枯燥壓抑，當前我們的教學模式正在探索視角的大轉換，從以教師為中心的教學轉換到以學生為中心的教學，希望達到教師善教樂教、學生會學樂學的良好效果。在以“學”為中心的課堂教學新模式中，教師的工作不再是單一的講授，而是通過合理規劃，引導學生積極參與到課堂教學中來，更加自由、主動、有效地完成學習任務[5]，我們從以下幾個方面進行了探索：

(1)設置課前微視頻學習和測試，了解學生的理解掌握情況。教師根據每次課講授內容的重點和難點，將其分割并錄制成3-5個微視頻，每個視頻時長不超過10分鐘，然后要求學生在課前預習教材內容的基礎上，在課程學習平臺上瀏覽微視頻、完成測試題目。通過這樣的課前預習，學生不再是漫無目的地瀏覽教材，而能夠更加明確課程的重點和難點，從而有針對性地進行學習；課前測試可以反應學生對知識點的認知、分析的難易程度，教師可以根據學生對重要知識點的理解情況合理安排課堂的講授內容，針對學生難以理解的知識點有側重地展開講解，從而有效提高課堂講授效果。

(2)注重課堂討論，引導學生獨立思考。近代測試與表征技術課程開設在第六學期，在此之前，學生已經學習了高分子物理、高分子化學等專業核心課程，對聚合物的結構特征有一定的了解，在此基礎上，可通過課堂討論引導學生獨立思考，主動分析測試表征技術的工作原理。例如，在學習凝膠滲透色譜法(簡稱GPC)時，我們首先讓學生思考聚合物與小分子物質的分子量區別，從而使其考慮針對聚合物分子量有一定分布寬度的特征，在利用GPC法進行分子量及其分布測定時，需要利用色譜柱把聚合物樣品中的不同級分進行分離。但分離后儀器并不能直接得到樣品的分子量及其分布數據，在此需引導學生思考數據間的轉換關系，使其意識到需要建立分子量校正曲線。而建立分子量校正曲線過程中，會發現多數情況下，難以找到與樣品結構一致的標樣，針對這個問題展開討論，學生會意識到根據流體力學體積建立普適性的分子量校正曲線。GPC法是一種比較抽象、較難理解的測試方法，通過這樣的方式，引導學生運用已學知識主動思考、分析測試表征技術的工作原理，能夠有效加深對理論知識的掌握。

(3)開展專題講述，引導學生自主學習。在以往的傳統教學模式下，學生對測試表征技術的靈活運用能力較差，這是影響學生解決復雜工程問題能力提升的重要方面。針對這個頑疾，我們結合教學內容，有針對性地提出研討主題(如PA66/納米SiO2復合材料中SiO2的含量及分散情況的表征、聚苯胺/ZnO核殼結構納米微球的結構及成分表征等)，讓學生以5人/組進行分組，每組根據主題在課外利用數據庫檢索相關文獻，討論如何完成主題中的表征任務，然后在課堂上圍繞主題分組進行講述，其他同學可以提問并進行打分。通過這樣的專題講述，一方面增加了學生在教學活動中的參與度，使其從原來的“聽講者”轉變為“講解者”，充分調動了學生的主觀能動性，有效地提高了學生的自主學習能力；另一方面每組同學需要綜合考慮多種測試表征技術的功能和局限性，在參考相關文獻的基礎上選擇合適的方法實現表征目的，并能夠批判性地評價其他組的表征方案，在此過程中加深了學生對測試表征技術的原理及應用的理解和掌握，有效地提高了學生對多種測試表征技術的綜合應用能力。

3 充分利用多媒體技術和現代化教學資源

不同于高分子物理、高分子化學等理論性較強的專業課程，近代測試與表征技術的課程內容主要包括測試原理、測試技術及應用，和實踐結合比緊密，為了讓學生更好地理解和掌握課程內容，在教學過程中需要形象地展示儀器結構、儀器工作原理、測試流程等方面內容，若利用傳統的板書教學方式很難達到理想的效果。因此，在近代測試與表征技術的教學過程中，合理地使用動畫及視頻資源形象、動態地展示儀器的測試原理和流程，同時引導學生在線學習優質網絡教學平臺課程(如中國大學慕課國家精品課程)，有利于學生理解教材上那些晦澀難懂的文字、圖片的內涵，加深學生對測試表征技術理論知識的掌握，為提升學生解決復雜工程問題能力奠定堅實的基礎[6]。

信息技術與課堂教學的有機融合也有效提升了教學效果。利用網絡教學輔助平臺(如學習通)，教師在開課之前在平臺中把每節課的主要內容分解成幾個知識點，然后圍繞重點、難點把知識點錄制成視頻，另外針對這些知識點組織一些練習題，把瀏覽視頻和完成練習題設置為任務點，在開課前三天左右通知學生完成任務點，這樣學生在課前可以自行安排時間對每節課的重難點展開學習和練習，教師能夠根據平臺自動統計的習題完成情況了解學生對知識點的理解程度；課堂教學過程中，一方面教師根據學生的理解程度有側重地安排教學內容，另一方面利用平臺開展課堂討論，平臺可以自動統計學生的參與情況和反饋質量，有效提高了課堂時間的利用率和學生的參與度；課后布置一些測試表征的主題任務，利用平臺開展教師評閱和學生互評，在學生利用多種測試表征技術綜合分析解決問題方面，切實提高了學生的參與熱情和完成質量。

4 理論與實踐相結合，提升課堂教學效果

在以往的近代測試與表征技術課程設置中，將近代測試與表征技術作為理論性課程，幾乎沒有配套實驗環節，而現實情況是學生在上課前很少接觸這些測試表征方法，這樣就造成課程講授結束后，學生對課程內容仍感覺比較抽象，明顯影響了學生靈活運用這些測試表征技術能力的提升。針對這個問題，我們在課程設置中將三分之一的課時安排為實驗課，并且和理論課穿插進行講授。一些常規的測試儀器，讓學生親自動手完成樣品的制備、測試和結果分析；對于一些大型精密測試儀器，讓學生現場觀摩測試流程的基礎上，利用虛擬仿真實驗平臺開展實驗。通過理論講授與實踐訓練的有機結合，一方面加深了學生對測試表征原理的理解和重要實驗技術的掌握，另一方面強化了學生對測試技術在材料表征中應用的感觀認識，從而有效的提升課堂教學效果。

5 結語

結合當前深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的要求以及近代測試與表征技術的課程特點，本著以學生為中心的理念，為了切實提高學生解決復雜工程問題的能力，本文從優化教學內容、探索課堂教學新模式、充分利用多媒體技術和現代化教學資源、理論與實踐相結合等幾個方面入手進行了教學設計和實踐，這些改革舉措有效地促進了學生從“被動學、盲目學、機械用”到“愿意學、導向學、靈活用”的學情改善，同時也促進教師進一步轉變教學理念，從而切實提升教學效果和人才培養質量。